常壓儲罐氮封系統供氣量計算方法探討

田 甜

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

1 概述

石油化工廠的儲罐儲存的多為易燃、易爆、易揮發的物料，為防止其和氧氣接觸，避免發生燃燒爆炸，通常在儲罐的氣相空間充入氮氣以隔絕空氣。在儲罐內充入氮氣后 ,不僅可減少避免有毒有害物質進入大氣污染環境，同時還可阻止儲罐內的物料與空氣接觸發生化學反應，減小發生火災的可能性，提高介質的儲存安全性。這種用氮氣作為儲罐的保護氣體的措施稱為氮封。氮封壓力一般維持在0.5～1.5kPa之間。

2 氮封系統的工作原理及組成

氮氣密封系統就是用氮氣來補充儲罐內的氣相空間。有兩種原因導致儲罐內的氣相空間變化，第一種是：當界區外物料打入儲罐時，隨著罐內液位的上升，儲罐內的氣體需向外排出以便保證儲罐壓力不會突然增大；當儲罐內的物料被泵送至下游設備時，隨著罐內液位的下降，需向儲罐內補入氮氣以保證儲罐壓力不會突然減少而抽扁儲罐。第二種是：由于儲罐設置在室外，受氣溫驟然變化而引起罐內溫度的變化，熱脹冷縮的效應導致儲罐氣相空間出現體積膨脹或收縮，從而引起罐內氣體壓力的變化[1]。

在正常的情況下，為防止儲罐出現超壓或負壓狀態，使用氮封系統即可維持壓力平衡，在氮封閥事故失靈不能及時開啟關閉時，呼吸閥能夠起到良好的補充作用，為了確保儲罐事故工況下的安全排放，還應在儲罐上設置緊急泄放閥[2]。詳見圖1。

圖1 氮封系統組成

3 氮封系統供氣量計算方法

由氮氣密封系統的基本工作原理可知，氮氣供氣量主要有兩部分用途，一是由于儲罐向外輸出物料時，泵抽出引起儲罐內物料體積減少而通過控制閥A補入氮氣，二是由于儲罐環境溫度驟然降低而引起罐內氣相空間中氣體的冷凝和收縮，此時需補充氮氣保持罐內壓力穩定。其中，液體出罐時最大出液量所造成的氮氣吸入量，應按液體最大出液量考慮。環境溫度導致罐內氣體收縮導致的氮氣補充量可使用SH/T 3007-2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》[3]和美國石油協會編制的標準API2000-2014《常壓和低壓儲罐的通氣》[4]計算。SH/T 3007-2014和API2000-2014的計算方法有所不同，下面將分別說明兩種計算方法。

3.1 SH/T 3007-2014計算方法

SH/T 3007-2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》中，根據5.1.6 c)條規定，因大氣最大溫降導致罐內氣體收縮所造成儲罐吸入的空氣量和大氣最大溫升導致罐內氣體膨脹而呼出的氣體，宜按表1確定。

表1 儲罐熱呼吸通氣需要量

從表1可知，標準SH/T 3007-2014計算氣溫變化引起的補氮量是根據儲罐體積選擇的，當儲罐容積與列表不一致時，可用內插法求的所需氣量。此氣量與儲罐最大出液量相加即為儲罐需要的最大補氮量。

3.2 API2000-2014計算方法

API2000-2014適用于操作壓力為103.4kPaG以內的常壓或低壓儲罐，儲罐類型分為制冷儲罐和非制冷儲罐。對于非制冷儲罐，氣溫變化引起的吸氣量可根據以下公式進行計算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

(1)

C-系數(由儲存溫度計緯度決定)，詳見表2；

Vtk-儲罐容積，m3；

Ri-保溫系數(無保溫時，Ri=1；部分保溫Ri=Rinp見公式(2)；全保溫Ri=Rin見公式(3))

(2)

ATTS-儲罐總表面積(包括罐體和罐頂)，m2；

Ainp-儲罐保溫層表面積，m2；

(3)

h-通常取4W/(m2·K)；

lin-保溫層厚度，m；

λin-保溫層導熱系數，W/(m·K)。

表2系數C

4 舉例

本例為地處新疆的某聚合加氫樹脂原料罐罐頂氮封量計算。如圖2所示，聚合加氫樹脂原料罐由三個完全相同的儲罐(全保溫)T-1001/1002/1003組成，原料雙環戊二烯由卸車站臺卸車泵送入，并由原料輸送泵送至主裝置。雙環戊二烯液體易燃易爆易聚合，密度980 kg/m3，閃點32℃，自燃點503℃。儲罐設計參數如下：

圖2 聚合加氫樹脂原料罐

儲罐設計壓力：2/-0.49kPaG；工作壓力：常壓；設計溫度：60℃；工作溫度：40℃。儲罐直徑/高度：11500/9600 mm；容積：1000 m3。

卸車泵送來流量(max)55 m3/h；

輸送泵送至主裝置流量(max)：6 m3/h。

儲罐選用固定頂儲罐，安全措施選擇：氮封；呼吸閥；緊急泄放閥。氮封量計算結果如下：

(1)按照SH/T 3007-2014計算，氮封量分為兩部分，一部分為輸送泵將物料送往主裝置引起罐內液位下降所造成的氮氣補入量，為輸送泵的最大流量6 m3/h；另一部分為環境氣溫變化引起儲罐內氣體收縮造成儲罐吸入氮氣量，由于單臺儲罐容積為1000 m3，對照表1，可得氮氣補入量為169 m3/h，因此，單臺儲罐的氮氣最大補入量為6+169=175 m3/h≈175Nm3/h，由于充入氮氣減壓至1kPaG,約等于標況下大氣壓。

(2)按照API2000-2014計算，氮封量依舊分為兩部分，一部分為輸送泵引起的儲罐液位下降，為6 m3/h；另一部分按照公式(1)計算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

=C*10000.7*Ri

儲罐全保溫，此時Ri=Rin，按照公式(3)

根據統一規定，保溫材料為巖棉制品，求得導熱系數λin=0.042，W/(m·K)，保溫厚度為60 mm，Rin=0.146。由于裝置處于新疆地區，介質性質蒸汽壓接近正己烷，儲存溫度≥25℃，查表2可得C=5，帶入公式(1)，VIT=92 Nm3/h，因此，單臺儲罐的氮氣最大補入量為6+92=98 Nm3/h。

5 結論

由計算結果可以看出，按照API2000-2014計算出的氮封量大大少于SH/T 3007-2014。因此，氮封設計過程中，在介質及工藝操作情況允許的條件下，可采取儲罐增加保溫層的方式，減少環境溫度上升或下降對儲罐氣體的影響，從而減少密封氮氣的用量，從而節省設備投資及能耗。在設計中應注意，儲罐保溫分為全保溫(罐體罐頂均設置保溫層)和部分保溫(僅罐體保溫)。對于同一儲罐全保溫比部分保溫所需氮封量更少，但須注意罐頂做保溫后的防滑措施。

參考文獻

[1]張 華,陳莉莉.工藝設計中的氮氣密封系統研究[J].安徽化工,2014,41(9):194.

[2]住房和城鄉建設部.GB 50160-2008 石油化工企業設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[3]工業和信息化部.SH/T 3007-2014 石油化工儲運系統罐區設計規范[S].北京:中國石化出版社,2014.

[4]API.API 2000-2014 Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks[S].Washington:[s.n.],2014.